基于單片機的LED燈控制器的設計

1、基于單片機的LED燈控制器的設計摘要：LED(Light Emitting Diodes)顯示技術在近幾年得到越來越多的應用，LED照明產品的替代首先在商業(yè)，工業(yè)領域發(fā)生，得到良好的示范作用后再逐步普及至家用照明領域。由于商業(yè)工業(yè)企業(yè)對電膏成本更敏感，政府對企業(yè)節(jié)能減排要求愈加嚴格等原因，商業(yè)工業(yè)領域對使用節(jié)匏型照明產品表現(xiàn)更積極。隨著白熾燈在各國的禁用，熒光燈對白熾燈的替代I,ED燈對白熾燈和熒光燈的替代將會是同步進行的。介紹了基于新型高性能的單片機，利用電力載波通信技術的一種具有調壓，穩(wěn)壓，故障檢測和上傳等多功能的單燈控制器的設計方法，闡述了其工作過程并給出了其中主要硬件和軟件模塊的設計。

2、關鍵詞：智能開關；單片機；LED；控制系統(tǒng)一引 言隨著時代的發(fā)展，對LED的研究發(fā)現(xiàn)，LED效能轉換率非常高，功耗遠低于現(xiàn)有的傳統(tǒng)燈具，而且比起現(xiàn)在的節(jié)能燈具。LED更節(jié)能、省電，在壽命、環(huán)保等方面均有不可比擬的優(yōu)越性。因此設計一個智能開關控制系統(tǒng)，與LED燈具相配合，將新穎、節(jié)能、低碳的新技術推廣、普及到每個家庭和企業(yè)中。城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)已經成為城市必不可少的公用設施，為了進一步提高監(jiān)控的質量或滿足具有特殊控制方式的路燈，單燈控制就顯示出了它的優(yōu)越性。單燈控制器具有調壓,穩(wěn)壓, 保護,故障檢測和信息上傳等功能，主控器通過單燈控制器返回的故障信息可以判斷出故障路燈的具體地址和故障類型，為路燈的

3、維修帶來了方便 調壓功能可大大節(jié)省電能。具有很高的經濟效益，電力載波技術日益成熟，利用電力載波通信，不需要再鋪設通信線路，降低了成本，也為控制器的安裝帶來了方便。1設計的基本思想用單片機芯片實現(xiàn)智能開關控制與單片機芯片技術發(fā)展有著密切相關。最早的單片機因為只能使用匯編語言進行開發(fā)外圍電路較多，所以對設計人員的硬件、接口設計水平要求較高，造成設計和生產成本較高?，F(xiàn)在的單片機芯片集成度高，具有CPU速度快、內有閃存、MD轉換、PWM輸出、16位定時器、振蕩等功能，其最大優(yōu)點是和以往相比外圍電路極少，可以用C語言、匯編語言或兩者混合編程，較大地降低了開發(fā)和生產成本。因此控制系統(tǒng)將基于單片機進行開發(fā)。

4、新穎、實用的燈具智能開關控制系統(tǒng)的控制面板由8051單片機、紅外傳感器、光敏電阻等組成其中8051單片機對環(huán)境亮度和是否有人存在等檢測信號進行控制，以有效、可靠為重點，控制與單片機相連接的節(jié)能LED燈具及其它照明電器設備，實現(xiàn)各種設計的功能。光敏電阻和紅外傳感器的組合使用，可以做到各連接電器的準確控制并通過單片機的程序處理能擴大控制功能，例如感應開啟、延時關閉等。這樣大大的方便人們的日常生活，也節(jié)約了用電，提高了用電安全性。因此在智能開關控制系統(tǒng)的總體設計過程中必須考慮三個注意事項和實現(xiàn)四個技術指標。見表1。二系統(tǒng)的組成及工作原理系統(tǒng)由主控器和單燈控制器兩部分組成，如圖2所示。主控器通過電力線

5、和單燈控制器進行通信，以便了解每個路燈的情，并進行統(tǒng)一的控制。 當通信距離較長，一般超過一千米時， 或者通信環(huán)境惡劣，通信效果較差時，就要指定某個或某幾個單燈控制器兼做中繼，以保證正常的通信效果。單燈控制器是由單片機， 電力載波模塊和調壓模塊等幾部分組成。如圖 3所示。單片機用來實時采集路燈的電壓和電流數(shù)據(jù)，進行處理，計算出此時路燈的工作狀態(tài)并存儲下來。單片機通過D/A轉換器來控制調壓模塊達到調壓和穩(wěn)壓的作用。采樣電路提取出路燈的電流值，當電流值超過設定值時，單片機通過中斷立即切斷電路達到保護的作用。 電力載波模塊由載波芯片及其外圍電路組成，用于單燈控制器和主機的通信，接收主機的命令和參數(shù)，

6、命令包括開燈（多種開燈方式如全開、隔一亮一、隔二亮一、 主燈開、副燈開等多種情況）、關燈、調壓（調壓范圍可以從180V到220V）和提取信息等，括號內功能由參數(shù)來控制。撥碼開關用來確定單燈控制器的地址碼，每一個燈桿具有唯一的地址碼。為了防止電壓在給定值附近小范圍內變化時，調壓模塊頻繁的動作，路燈電壓的控制采用帶有死區(qū)的PID控制方式。帶有死區(qū)PID的基本做法是當偏差較小時，即E（K）<=B時輸出結果為零，偏差大于B時輸出以PID的運算結構輸出PID輸出為：三，系統(tǒng)硬件設計31傳感器部分311 被動式熱釋電紅外探測器該探測器有三個關鍵元件：菲涅爾濾光晶片，它通過截止波長812um的濾光晶片

7、，起帶通濾波器的作用，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制；菲涅爾透鏡，聚焦作用，即將熱釋的紅外信號折射(反射)在熱釋電紅外傳感器上，第二個作用是將警戒區(qū)內分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入警戒區(qū)的移動物體能以溫度變化的形式在熱釋電紅外傳感器上產生變化熱釋紅外信號，這樣熱釋電紅外傳感器就能產生變化的電信號；熱釋電紅外傳感器將透過濾光晶片的紅外輻射能量的變化轉換成電信號，即熱電轉換。人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發(fā)出特定波長lOum左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10um左右的紅外線而進行工作的。人體發(fā)射的lOum左右的紅外線通過菲涅爾濾波片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應源通過采用

8、熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射穩(wěn)定發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，經檢測處理后就能產生電平的變化。根據(jù)此原理應用性能穩(wěn)定的紅外模塊，當有人走動時模塊輸出33V電壓，沒人時為低電平。模塊有可調的延時，最多可達到18秒。312環(huán)境亮度傳感模塊此傳感模塊的核心器件是光敏電阻。光敏電阻利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換(將光的變化轉換為電的變化)。 32控制部分STCl2C5628AD系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘機器周期(IT)的單片機，是高速低功耗超強抗干擾的新

9、一代805l單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8一12倍，內部集成MAx810專用復位電路。4路PWM，8路高速10位AD轉換，針對電機控制，強干擾場合。選擇這個型號的單片機主要考慮到具有PWM和AD轉換的作用，使得外圍電路得到了大大的簡化，同時產生的PWM信號可直接與驅動芯片相連，使得這個系統(tǒng)的成本降低了很多。由于采用的是PWM調光的方式，為了減少不必要的外圍的電路，選擇的驅動芯片可直接由DIM管腳輸入PWM方波。LM3407是一款集成了N溝道功率MOS場效應管的脈沖寬度調制的浮動式降壓轉換器，其設計是為提供精準的恒定電流輸出，以驅動高功率發(fā)光二極管(LED)。LM3407的顯著

10、特色是脈沖電平調制(PLM)控制方案，這一方案在使用一個外部1精度的電流設定厚膜電阻時，能確保在整個輸入電壓和工作溫度范圍內恒定電流輸出精度好于10。轉換器的另一個特點是具有一個可接收標準邏輯脈沖，控制LED陣列亮度的DIM引腳，使得LM3407成為精密功率LED驅動器或者恒流源的理想器件。四，軟件設計本程序采用模塊化設計思想，以主程序為核心設置了2個功能模塊子程序：使一些功能在子程序中實現(xiàn)，簡化了設計結構。運行過程中通過主程序調用個功能模塊子程序，該系統(tǒng)有2個功能模塊：l是AD轉換模塊；2是PWM產生模塊。在主函數(shù)中直接調用就可以了，大大簡化了設計結構。其系統(tǒng)的流程圖見圖4,5.軟件在cyg

11、nal公司提供的CYGNAL IDE環(huán)境下利用語言編程實現(xiàn),其主要流程如圖 6所示。單片機是利用片內交叉開關來分配相應的I/O端口的，其內部資源都需要進行初始。 其程序如下所示：五，結 論現(xiàn)代化都市對景觀照明系統(tǒng)的要求越來越高，包括高速度、大容量、全色彩、可遠程下載控制等。LED景觀燈憑借自身優(yōu)勢，在樓宇、舞臺、橋梁等公共場合的應用越來越廣泛。本文以NIOS II嵌入式處理器為中央控制單元，提出一套基于TCPIP協(xié)議和DMX512協(xié)議的LED景觀照明控制系統(tǒng)，不僅能夠滿足上述性能要求，而且具有節(jié)約成本、實時性好、易于維護升級等特點。本文依據(jù)SOPC設計思想，將NIOS II嵌入式處理器應用到L

12、ED照明領域，解決了使用傳統(tǒng)的以單片機為核心的LED控制器所帶來的種種問題。既拓展了NIOSII嵌入式的應用范圍，又為LED燈控制提出了一種新的控制方案。首先，明確控制要求，分析傳統(tǒng)控制方法的弊端，針對這些弊端提出一套符合應用要求的LED控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由基于TCPIP協(xié)議的主網與基于DMX512協(xié)議的子網組成。第二，在控制器硬件選型和設計的過程中，對ALTERA公司的FPGA器件做了詳細的研究，了解了該公司各系列產品的性能、特點以及適用范圍。針對控制器所具有的功能，為NIOS II嵌入式處理器的運行設計硬件平臺，由FPGA、電源、時鐘以及各類外設組成一個完整的硬件系統(tǒng)。第三，開發(fā)DMX512燈

13、控m核，構建LED控制器的SOPC系統(tǒng)是本設計的主要內容。采用模塊化的設計方法，DMX512燈控IP核可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)暫存和信號輸出的功能。使用DMX512通信協(xié)議，一路輸出即可搭載512個具有256級狄度的LED像素點，并且能夠實現(xiàn)靜態(tài)、漸變、閃爍三種照明方式和顏色在全色彩范圍內變化。設計能夠滿足高速度、大容量、全彩色的控制要求。在構建SOPC系統(tǒng)的過程中，采用了自定義lP核與lP核移植相結合的方式，既節(jié)省了開發(fā)時間又使產品的性能得到滿足。第四，經過試驗驗證，LED控制器可以實現(xiàn)脫機和聯(lián)網兩種運行方式。在脫機運行時，用戶可以將自定義的燈光圖案和閃亮方式存儲在SD卡中，控制器讀取SD中存儲的文件，

14、實現(xiàn)相應的LED燈。在聯(lián)網運行時，用戶通過上位機控制界面發(fā)送網絡數(shù)據(jù)包，控制器接收數(shù)據(jù)包并以DMX512協(xié)議規(guī)范控LED鏈路。應用SOPC設計理念，將NIOS II嵌入式技術應用于LED照明領域，滿足了未來城市景觀照明規(guī)模化、網絡化的發(fā)展要求，具有一定的參考價值和應用前景。當然，由于水平和精力所限，整個系統(tǒng)還有許多需要改善的地方。第一，在NIOS II下可以嵌入uCOSII或者uClinux嵌入式操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)可以對于任務進行管理，避免各子任務之間的沖突，以充分的利用硬件資源。第二，上位機與LED控制器之間，只是簡單的通過PC機發(fā)送UDP廣播數(shù)據(jù)包進行通信的。在以后的設計實踐中，可以采用在

15、NIOS II處理器中移植1wip或者nickestack輕量級IP協(xié)議的方式，實現(xiàn)LED控制器可設定IP地址。這樣，采用上位機遠程控制的功能才能更好的體現(xiàn)出來。文中對燈控制系統(tǒng)的組成和工作過程進行了論述。系統(tǒng)可實現(xiàn)對燈高要求控制，其在節(jié)省能源和節(jié)省人力物力資源方面有著重要意義。由于LED顯示屏的分析、設計與實際應用環(huán)境及應用目的有很大關系，所以對其控制系統(tǒng)的要求也是不同的。如果顯示屏的面積要求很大，屏幕顯示的信息量超大，那么要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也隨之增大，如何設計出更理想的字模保存方法以及數(shù)據(jù)傳輸時的壓縮算法需要進一步的研究和探討。參考文獻：【l】潘慶浩，古鵬智能家居控制系統(tǒng)技術問題的研究與探討們

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